ماشين هاي جذب کننده قدرت مکانيکي که انرژي را به صورت هاي مختلفي از قبيل حرارتي، انرژي جنبشي يا پتانسيل به سيالات تراکم ناپذير اعمال مي کند طيف وسيعي را شامل فن ها، دمنده ها و کمپرسورها تشکيل مي دهند که از اين ميان کمپرسورها داراي نسبت تراکم بيشتري بوده و غالبا در آنها خنک کاري گاز فرايندي انجام مي شود. کمپرسور دستگاهي است که براي با بردن فشار گاز و انتقال آن از نقطه اي به نقطه ديگر در طول فرايند استفاده مي شود. اين فشار به منظور غلبه بر اصطکاک مسير، تاثير در يک واکنش معين و يا بهبود خواص ترموديناميکي گاز مورد نياز مي باشد. لازم به ذکر است که گازهاي جابه جا شده داراي طيف وسيعي از وزن مولکولي بوده که از هيدروژن با وزن مولکولي 2 تا هگزا فلوريد اورانيوم با وزن مولکولي 352 را شامل مي شوند.
کمپرسور بر حسب مکانيزم و اصول کارکرد و نحوه اعمال انرژي به سيال به دو گروه عمده تقسيم مي شوند :
کمپرسور جابجايي مثبت يا جريان منقطع
کمپرسور ديناميک يا پيوسته
در يک تقسيم بندي ديگر مهمترين انواع کمپرسور که در صنعتاستفاده مي شوند عبارتند از:
کمپرسور هاي رفت وبرگشتي
کمپرسور هاي سانترفيوژ
کمپرسور هاي پيچشي
کمپرسور هاي حلزوني
کمپرسور هاي جريان محوري
کمپرسور هاي جريان محوري و سانتريفيوژ در دسته کمپرسور هاي ديناميک و کمپرسور هاي رفت و برگشتي و چرخشي در دسته کمپرسور هاي جابجايي مثبت قرار دارند. کمپرسور هاي حلزوني و پيچشي انواعي از کمپرسور هاي چرخشي هستند. طراحان بر اساس محدوده خاصي که از نظر تراکم و شدت جريان گاز در مراجع وجود دارد نوع خاصي از کمپر سور را براي هدف مورد نظر انتخاب مي کنند. لازم به ذکر است که هر يک از اين نوع کمپرسور ها مزايا و کابرد هاي خاص خود را دارند.
کاربرد کمپرسور ها
مسئله افزايش فشار در فرايند مختلف صنعتي به خصوص در فرايند هاي پتروشيمي بسيار حاوز اهميت مي باشد.صنايع و زمينه هاي مختلفي وجود دارد که در هر کدام از آنها کمپرسور نقش دارد که اين زمينه ها عبارتند از:
تهويه ساختمان ها، تونل ها، معادن و کوره ها
تامين هواي فشرده جهت احتراق در ماشين هاي احتراق داخلي و ديگ هاي بخار
انتقال گاز(تامين فشار لازم جهت جريان گاز و افت فشار مسير)
تامين فشار مخازن ذخيره تحت فشار
تزريق گاز به ميدان نفتي
سيستم تبريد
فرايند هاي شيميايي و تصفيه گاز
بالا بردن سرعت واکنش ها در فرايند هاي شيميايي
انتقال بعضي پودرها توسط گاز فشرده
کارکرد کمپرسور پيچشي
کمپرسور هاي پيچشي مانند کمپرسور هاي رفت و برگشتي يکي از انواع کمپرسور هاي جابجايي مثبت هستند، يعني کمپرسور هايي که با محبوس کردن گاز ورودي و کاهش حجم آن توسط يک عضو متراکم کننده سبب افزايش فشار گاز مي شوند. در اثر حرکت عضو متراکم کننده، فاصله مولکولهاي گاز موجود در ظرف کاهش مي يابد و بر خود آنها با يکديگر زيادتر مي شود. در نتيجه مولکولها نيروي بيشتري به ظرف وارد مي کنند و اينموضوع نشان دهنده اين است که فشار گاز، افزايش يافته است. در کمپرسور هاي رفت وبرگشتي، اين عضو متراکم کننده، پيستون ناميده مي شود اما در کمپرسور هاي پيچشي، عضو متراکم کننده مارپيچهاي به نام male است. در واقع کار مارپيچه male در کمپرسور هاي پيچشي دقيقا مشابه وظيفه پيستون در کمپرسور هاي رفت و برگشتي است.روي ماپيچه male چند برامدگي به صورت مارپيچ وجود دارد که مانند مارپيچه دستگاه چرخ گوشت، با چرخش ما پيچه اي، حرکت رو به جکو را براي گاز تداعي مي کند. ظرف حاوي گاز در کمپرسور هاي رفت و برگشتي سيلندر و در کمپرسور هاي پيچشي مارپيچه اي به نام female است که وظايف آنها عينا مشابه هم است و هر دو نقش ظرفي را باز مي کند که گاز درون آن قرار گرفته و بازي مي کنند که گاز درون آن قرار گرفته و متراکم مي شود. در کمپرسور هاي پيچشي مارپيچه هاي female و male هر دو داراي شيارهايي هستند. در اين کمپرسور ها ابتدا گاز ورودي کل حجم يک شيار مارپيچه female را در بر مي گيرد. با چرخش محرک که يک موتور الکتريکي و يا يک توربين است، حرکت چرخشي به مارپيچه male منتقل مي شود و در نتيجه مارپيچه male شروع به چرخيدن مي کند. با چرخش مارپيچه male مارپيچه female نيز که با آن درگير است، به چرخش درمي آيد. برآمده گي هاي روي ماپيچه male به تناوب درون شيارهاي مارپيچه female حرکت مي کند و به تدريج حجم گاز محبوس شده موجود در شيارها کاهش يافته و فشار گاز افزايش مي يابد.تراکم گاز تا زماني ادامه دارد که فضاي مابين پره ها به مجراي خروجي شيارها متصل شده و گاز متراکم شده از طريق آن خارج مي شود. هر کدام از شيار ها مارپيچه female به ترتيب به مجراي خروجي ميرسند و گاز فشرده شده را درون مجراي خروجي تخليه کرده و مجددا از هواي کم فشار پر مي شود اين سيکل به تناوب تکرار مي شود. مقطعي از يک کمپرسور پيچشي که مارپيچه هاي male و female در آن نما يان نمايان است در شکل نشان داده شده است.
کارکرد کمپرسور رفت و برگشتي
کمپرسور رفت و برگشتي از نوع کمپرسور هاي جابجايي مثبت هستند که در آنها گاز در سيلندر و از طريق حرکت رفت و برگشتي پيستون انجام مي شود. کمپرسورهاي رفت و برگشتي از جمله قديمي ترين کمپرسورها مي باشد که در حال حاضر جايگاه مهمي را در ميان کمپرسور هاي کوچک و متوسط بدست آورده اند.اين نوع از کمپرسورها شبيه تلمبه باد دوچرخه کار ميکنند.
کمپرسورهاي رفت و برگشتي از نظر تعداد مورد استفاده در صنايع، نسبت به ديگر انواع کمپرسورها مقام اول را دارند. اين کمپرسورها براي تمام فشارها از خلا تا حدود psi 100000 مناسب است و نيز براي مقادير جريان از 52 فوت مکعب بر دقيقه تا 10000 فوت مکعب بر دقيقه به ازاي هر سيلندر طراحي و ساخته مي شوند. راندمان آنها از 90% تا 80% تغيير ميکند و يراي نسبت هاي تراکم بالاتر از 5 بيشترين راندمان را نسبت به ديگر انواع دارند.
علي رغم مزاياي زياد، کمپرسورهاي رفت و برگشتي داراي محدوديت هايي هستند که عبارتند از:
براي سرويسهاي جريان پيوسته با حجم زياد بيش از يک کمپرسور نياز خواهد بود.
غالبا بزرگ و گرانبها هستند.
هزينه تعميرات بالايي دارند خصوصا براي جا به جايي ذرات مايع، ذرات جامد و خورنده.
با توجه به نيروي لرزشي بالا، نياز به فونداسين هاي بزرگ دارند.
در کمپرسورهاي رفت و برگشتي همانگونه که انتظار مي رود، رفت يا بازگشت پيستون عمل تراکم را انجام مي ده. در اين حالت موتور تنها در نصف دوره تحت بار قرار گرفته و در نيمه بعدي بدون بار کار ميکند اين روش کار کردن موتور ميتواند مشکلاتي را براي موتور ايجاد کرده و در کل مي تواند رانئمان کاري را پايين بياورد.براي رفع اين مشکل معمولا در کمپرسورها تراکم هم در عمل رفت وهم در عمل برگشت انجام ميشود. روش معمول براي اين کار استفاده از دو پيستون در جهت مختلف مي باشد.بدين ترتيب هنگامي که يک پيستون در حال تراکم است پيستون ديگر در حال مکش بوده و در نيم دوره بعد، عمليات هر کمپرسور تعويض مي گردد.اين نوع کمپرسورها به شکل هاي مختلفي طراحي و ساخته مي شوند که در شکل يکي از آنها را مشاهده مي کنيد.
کمپرسور هاي مرحله اي Double acting در بين کمپرسورهاي رفت و برگشتي داراي بالاترين بازدهي مي باشند. انواع مختلفي از اين کمپرسورها با توان هاي مختلف ساخته شده است.
در صورتي که فشار مورد نياز براي گاز خروجي بالا باشد استفاده از يکمرحله تراکم کافي نمي باشد. راه حل پيشنهادي در اين مورد، استفاده از دو يا چند کمپرسور پشت سر هم مي باشد که خروجي متراکم شده در هر کمپرسور وارد محله بعدي مي شود. اين دوش مقدور بوده و قابل استفاده مي باشد. اما بهدليل هزينه بالاي کمپرسورها، طراحان ترجيح مي دهند تا جايي که ممکن است مراحل تراکم را در تعداد کمتري کمپرسور قرار دهند. به طور مثال زماني که نياز به دو کمپرسور براي انجام دو مرحله تراکم مي باشد، دو مرحله را در يک کمپرسور قرار داده و به اين ترتيب صرفه جويي قابل ملاحظه اي در هزينه ساخت کمپرسور صورت مي گيرد. (شکل3-3 ) نمونه اي از اين کمپرسورها را نشان ميدهد که داراي دو مدحله تراکم مي باشند.
بايد توجه داشت که در اثر اعمال فشار به گاز، دماي آن بالا رفته و در صورتي که همين گاز را بدون تغيير دما وارد مرحله بعدي نماييم، راندمان کاري کمپرسور بسيار کاهش يافته وعلاوه بر اين مشکل مي تواند مشکلات ديگري را نيز در کمپرسور ايجاد کند. به همين دليل لازم است بعد از هر مرحله تراکم و قبل از مرحله بعد دماي گاز را به نحوي کاهش داد. استفاده از خنک کن هاي هوايي و مبدل براي اين کار مرسوم بوده و بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد. به اين ترتيب گاز متراکم شده در هر مرحله با خنک شدن در اين دستگاه ها قابلت تراکم تا فشارهاي بالاتر را نيز پيدا ميکنند. کمپرسورهاي پيستوني در فشار ها و وزن هاي مولکولي متغيير به راحتي کار ميکنند. اما نياز به تعميرات بيشتر و زير ساخت هاي بزرگتر و پر هزينه استفاده از اين ماشين ها را محدود مي کند. اين کمپرسورها قادرند فشارهاي فوق العاده را با مقدار را با مقدار جريان اندک تامين کنند. بنابراين کاربرد اصلي اين کمپرسورها براي ايجاد فشار خيلي بالاست.
به طور معمول بالاترين راندمان کمپرسورهاي رفت وبرگشتي از راندمان کمپرسورهاي سانتريفيوژ و پيچشي کمتر است. مکش گاز، تخليه گاز متراکم شده از طريق شيرهاي تخليه و اصطکاک هاي ايجاد شده از جمله عوامل موثر در کاهش بازدهي در اين نوع کمپرسورها ميباشند. يکي ديگر از عوامل موثر در در پايين بودن بازدهي اين نوع کمپرسورها کوچک بودن اندازه اين کمپرسورها مي باشد. در کمپرسورهاي کوچکتر نسبت بيشتري از انرژي ورودي به کمپرسور، صرف اصطکاک ايجاد شده در آن مي گردد.به طور کلي اين نوع از کمپرسورهادر فشارهاي متوسط و بالا مي باشد.
به طور کلي کمپرسور هاي چند مرحله اي کاربرد بيشتري نسبت به کمپرسورهاي يک مرحله اي دارند. بحث ايجاد حرارت در اثر تراکم از اهميت خاصي برخوردار است که براي رساندن بازدهي کمپرسور به حد قابل قبولي بايد به آن توجه کافي نمود.
کارکرد کمپرسورهاي سانتريفيوژ
کمپرسورهاي سانتريفيوژ از نوع کمپرسورهاي ديناميکي هستند، يعني بر خلاف کمپرسورهاي رفت و برگشتي که در آنها تراکم گاز به وسيله يک عضو متراکم کننده(يا همان پيستون) انجام مي شود، کمپرسورهاي سانتريفيوژ عضو متراکم کننده اي ندارند و تراکم گاز در آنها عمدتا با نيروي گريز از مرکز و سرعتي که از چرخش سريع گاز به وسيله پروانه حاصل مي شود انجام مي گيرد.
پروانه يا همانimpeller ها از جمله اجزاي متحرک کمپرسورهاي سانتريفيوژ بوده و منبع تمام انرژي داده شده به گاز در طول تراکم مي باشند. هنگام چرخش پروانه، انرژي داده شده به گاز توسط پره هاي موجب افزايش فشار استاتيکي و سرعت گاز مي شود. به اين صورت که نيروي گريز از مرکز وارده به گاز مابين پره ها، باعث متراکم شدن گاز مي شود. علاوه بر اين فشار استاتيکي، به دليل افزايش سرعت گاز در گذر از مرکز تا محيط چرخ، افزايش مي يابد. به اين ترتيب افزايش کل فشار گاز به وسيله يک پروانه برابر مجموع افزايش فشار هاي استاتيکي و سرعتي است.
در کمپرسورهاي سانتريفيوژ پروانه ها بر روي يک شفت نصب مي شوند. با چرخش شفت ودر نتيجه چرخش روتور، گاز به صورت محوري، يعني در راستاي محور شفت وارد پروانه شده وبه صورت شعاعي، يعني عمود بر محور شفت، با فشار و سرعت بالاتري خارج مي شود. روتور به وسيله موتور التريکي يا توربين به حرکت درمي آيد و گاز کم فشار و کم سرعت از قسمت مرکزي وارد چشم ورودي و يا چشمه کمپرسور و با چرخش توسط پروانه و افزايش فشار، از خروجي کمپرسور خارج مي گردد.
براي هدايت جريان گاز به دهانه پروانه با کمترين افت فشار گاز، صرفا به نوک پره هاي پروانه که با سرعت دوراني شفت و قطر چرخ متناسب است، بستگي دارد. اما چون سرعت پروانه ها نمي تواند از مقدار مشخصي بيشتر باشد، افزايش فشار گاز در عبور از يک پروانه نيز نمي تواند از محدوده خاصي بالاتر رود. در صورتي که فشار بالاتري نياز باشد براي افزايش فشار گاز از دو يا چند پروانه استفاده مي شود. در اين صورت، گاز خروجي از پروانه اول که تا حدي فشرده شده است، به ترتيب وارد پروانه هاي بعدي شده و فشرده تر مي گردد. غالب کمپرسورهاي صنعتي چند مرحلهاي هستند و تعاد پروانه هاي آنها گاهي به بيش از 10 عدد نيز مي رسد.
در يک کمپرسور چند مر حله اي گاز ابتدا به صورت محوري وارد پره اول شده وپس از افزايش فشار و افزايش سرعت، از پروانه اول خارج شده وارد محفظه هاي خاصي به نام ديفيوزور مي شود.در اين محفظه ها سرعت گاز کاهش يافته در نتيجه فشار گاز افزايش مي يابد. سپس گاز به پروانه دوم هدايت مي شود. گاز به همين صورت از همه پروانه ها عبور ميکند و سرانجام بعد از آخرين پروانه، گاز به محفظه خروجي کمپرسور وارد مي شود.افزايش فشار کلي در اين کمپرسورها برابر مجموع افزايش فشار هاي ايجاد شده توسط هر يک از پروانه ها مي باشد.براي اين که کارکرد کمپرسور بهينه وراندمان آن حداکثر باشد، بايستي تبديل سرعت به فشار در پوسته کمپرسور به صورت تدريجي، آرام و بدون افت محسوس در فشار کل انجام شود. بدين منظور اغلب مجموعه اي از تيغه هاي راهنما در مسير عبور گاز نصب مي شود که گاز را از خروجي يک پروانه مي گيرند وبه ورودي پروانه بعدي هدايت مي کنند. اين تيغه ها در خلاف جهت خروج گاز از پروانه ها شکل داده شده وچنان طراحي مي شوند که با افزايش سطح مقطع، کاهش سرعت و افزايش فشار به صورت تدريجي، آرام و با حداقل افت انرژي انجام شود.
در کمپرسورهاي چند مرحله اي براي جبران کاهش حجم گاز در اثر تراکم در هر پروانه، پروانه ها از نظر پهنا و قطر در جهت جريان گاز تدريجا کوچکتر مي شوند.
مسير گاز در کمپرسور دو مرحله اي
در اين تصور شماتيکي از فرايند فشرده شدن گاز در يک کمپرسور سانترفيوژ دو مرحله اي به همراه مسير خنک کاري، روغن کاري و برخي از سيتم هاي کنترلي را ملاحظه مي کنيد. انرژي مورد نياز براي فشرده کردن گاز توسط محرکي که ممکن است موتور الکتريکي يا توربين باشد تامين ميشود. در اين کمپرشور ابتدا گاز به(جدا کننده1) وارد ميشود که اين جدا کننده به عنوان مخزن آبگير عمل مي کند.در مواردي که سيال فرايندي هوا مي باشد به جاي مخزن آبگير از خشک کن استفاده مي شود. در ورودي کمپرسورها براي برطرف کردن آلودگي هاي احتمالي گاز ورودي، فيلتر هايي تعبيه مي شود. گاز وارد مر حله اول مي شود و فشرده مي شود.
گاز فشرده شده که به علت فشرده شدن گرم است، وارد کولر 1 شده و سرد مي شود. گاز فشرده شده در هنگام سرد شدن، داراي مقداري ميعانات ميشود و نيز به علت تماس با روغن روانکاري حاوي مقداري روغن مي گردد. لذا وارد جدا کننده2 ميشود تا مايعات آن جدا شود. اين گاز براي اين که بيشتر فشرده شود وارد مرحله دوم کمپرسور شده و پس از عبور از کولر 2 وارد جدا کننده 3 مي شود تا ميعانات آن جدا شوه و سپس براي مصرف به سمت خط لوله هدايت مي شود.